[发明专利]一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于夹角可调非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法，估计出目标的方位角和俯仰角。本发明通过对两个夹角可调的水平非均匀线阵的接收信号进行处理，在波达方向中可以消去声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响，最终估计出目标的方位角，再通过垂直非均匀线阵可以估计出目标的俯仰角，从而得出目标的具体方位信息。在本发明中，非均匀线阵的使用提高了算法的角分辨率，同时由于两均匀线阵夹角可变，在实际测量中可以改变夹角进行多次测量，能够更好地消除误差。

技术领域

本发明涉及目标定位领域，尤其涉及一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法及装置。

背景技术

水下DOA估计作为阵列信号处理的重要研究内容，在海洋资源探测等领域得到了越来越广泛的应用。原始的DOA估计都是一维DOA估计，即指在单一平面内估计目标信号的方位角，这种一维波达方向角的估计存在很大的局限性，在实际水下目标定位中，处于三维空间的目标需要二维方向角度才能准确定位，因此二维波达方向估计是一个极具现实意义的问题。现有的水下DOA估计方法主要有MUSIC算法和ESPRIT算法，它们同属于特征子空间类算法。根据阵列的特征又可分为基于均匀阵列的DOA估计和基于非均匀阵列的DOA估计，在阵元个数相同的情况下，非均匀阵列能获得比均匀阵列更大的孔径，从而提高了角分辨率，并且非均匀阵列测向精度高，抗模糊性强。

传统的二维DOA估计算法大都是基于均匀L型阵列、均匀矩形阵列等均匀阵列，并且阵列之间的夹角是固定不可调节的，同时在算法中都假定水下声速为一个已知量，而水下环境十分复杂，声速也是不断变化的，把其当成一个固定的值往往会导致较大的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法。本发明通过对两个夹角可调的水平非均匀线阵的接收信号进行处理，在波达方向中消去声速这个因子，从而消除水下声速不确定性对目标定位精度的影响，最终估计出目标的方位角。再通过垂直非均匀线阵估计出目标的俯仰角，从而得出目标的具体方位信息。在本发明中，非均匀线阵的使用提高了算法的角分辨率，且由于两均匀线阵可变，在实际测量中能够改变夹角进行多次测量，更好地消除误差。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于旋转非均匀双L阵的水下二维DOA估计方法，具体步骤包括：

(1)建立夹角可调的非均匀双L线阵模型并推导三个阵列各自的信号接收模型；

(2)推导并求解三个非均匀线阵的相位补偿矩阵；

(3)分别对三个非均匀线阵的初始相位补偿后的接收信号阵列进行迭代，得到最终的旋转算子的值；

(4)建立声波入射到三个线阵中的各自方位角与声波入射到三维线阵中的方位角和俯仰角之间的关系；

(5)根据步骤(4)得到的关系式求解出结果；

(6)改变两水平非均匀线阵之间的夹角，重复步骤(1)-(5)；求出不同线阵夹角对应的信号入射方位角和俯仰角，对结果取平均值求得最终结果。

进一步地，在所述步骤(1)中，两水平非均匀线阵分别设为x轴和y轴，且它们之间夹角为α_n，垂直非均匀线阵设为z轴。为了方便表述，在本发明中，令三个非均匀线阵的接收阵元个数都相等且都为M个。

更进一步地，x轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为x₁,x₂,…,x_m,m＝1,2,…,M，其中

更进一步地，y轴非均匀线阵第一阵元到第m个阵元相对于原点O的位置分别为y₁,y₂,…,y_m,m＝1,2,…,M，其中